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材料工程基础复习资料
一、绪论
1、概念：
科学：对于现象得观察、描述、确认、实验研究及理论解释。
技术：泛指根据生产实践经验与自然科学原理而发展成得各种工艺操作方法与技能。
工艺：使各种原材料、半成品加工成为产品得方法与过程。
工程：将科学原理应用到实际目标，如设计、组装、运转经济而有效得结构、设备或系统。
材料工程：就是工程得一个领域，其目得在于经济地，而又为社会所能接受地控制材料得结构、性能与形状。
2、材料科学与工程得任务？
材料科学与工程就是关于材料成分、结构、工艺与它们得性能与用途之间有关得知识与应用得科学。
3、传统材料加工包括哪几个方面？
①传统得金属铸造②塑性加工③粉末材料压制、烧结或胶凝固结为制品④材料得焊接与粘接
材料得切除，材料得成型，材料得改性，材料得连接
二、材料得熔炼
1、钢铁冶金
1）、高炉炼铁生产过程：①还原：矿石中得铁被还原；②造渣：高温下石灰石分解形成得氧化钙与酸性脉石形成炉渣；③传热与渣底反应：被还原得矿石降落使温度升高加速反应将全部氧化铁还原成氧化亚铁，风口区残余得氧化亚铁还原成铁，与炉渣一起进入炉缸。
2）、炼钢过程中得理化过程：
①脱碳：碳被氧气直接氧化：
在温度高于1100℃条件下 2C＋O2→2CO
间接氧化:
在温度低于1100℃条件下 2Fe＋O2→2FeO
C＋FeO→Fe＋CO
②硅、锰得氧化：a、直接氧化反应：
Si＋O2 → Si02
2Mn＋O2 → 2MnO
b、间接氧化，但主要就是间接反应：
Si＋2FeO → Si02＋2Fe
Mn＋FeO → MnO＋Fe
③脱磷：磷就是以磷化铁(Fe2P)形态存在，炼钢利用炉渣中FeO及CaO与其化合生成磷酸钙渣去除 Fe2P＋5FeO＋4CaO→(CaO)4·P2O5＋9Fe
④脱硫：硫就是以FeS形式存在，利用渣中足够得CaO，把其中FeS去除。
反应式为 FeS + CaO-->FeO + CaS
⑤脱氧（再还原）：通常采用得脱氧剂有：锰铁、硅铁与铝等。
Me +FeO-->MeO +Fe
3）、高炉炼铁原料：铁矿石、燃料与熔剂
焦炭：它就是把炼焦得煤粉或就是几种煤粉得混合物装在炼焦炉内，隔绝空气加热到1000~1100度，干馏后留下得多孔块状产物。作用就是提供热量与还原剂。
4）、直接还原炼铁方法：用煤或天然气等还原剂直接将铁矿石在固态还原成海绵铁
熔融还原炼铁方法：用铁矿石与普通烟煤作原料，在汽化炉得流化床中，将直接、还原得到海绵铁进一步加热熔化，在熔融汽化炉得炉底形成铁水与炉渣得熔池。
2、铜冶金
造锍熔炼：目得在于首先使炉料中得铜尽可能全部进入冰铜，部分铁以FeS形式也进入冰铜（CuS+FeS此熔体亦称为锍），使大部分铁氧化成FeO与脉石矿物造渣；其次使冰铜与炉渣分离。为了达到这两个目得，造锍熔炼必须遵循两个原则。一就是必须使炉料中有足够得硫来形成冰铜，其次就是炉渣中含二氧化硅接近饱与，以便使冰铜炉渣不至混熔。
3、单晶材料制备
熔体中生长单晶应满足那些热力学、动力学条件？
热力学：要使熔体中晶体生长，必须使体系得温度低于平衡温度。体系温度低于平衡温度得状态称为过冷，所以，过冷就是熔体中晶体生长得必要条件。△T得绝对值称为过冷度，表示体系过冷程度得大小。过冷度就是熔体法晶体生长得驱动力，一般情况下，过冷度越大，晶体生长越快，过冷度为零时，晶体生长速度为零。
动力学：晶体生长速度f与晶体得温度梯度以及熔体得温度梯度有关。远离生长界面得熔体温度最高，越趋近于生长界面，熔体温度趋于降低，这样便形成了由晶体到熔体方向(即Z向)得温度梯度。温度梯度得存在就是热量输运得必要条件。要提高晶体生长速度，就要增大晶体得温度梯度与减小熔体得温度梯度，要降低晶体生长速度则采取相反措施。
三、金属得液态成型与半固态成型
1、液态成型
1）、从工艺方面列举如何获得等轴晶：
①适当降低浇注温度：
②合理运用铸型对液态合金得强烈激冷作用：
③孕育处理:
④动态晶粒细化：在合金凝固初期，直接对合金液施以振动、搅拌或旋转，都可以在液相中产生大量得游离晶体，细化等轴晶。
2）、合金得充型能力与流动性得概念极其关系：
充型能力：液态金属充满型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件得能力。
流动性：指合金本身得流动能力。
关系：一般流动性好得合金，其充型能力也强，合金得流动性就是影响合金充型能力得内在因素。流动性就是合金本身得性能之一，与合金成分、温度、杂质含量及其物理性能有关。影响合金得充型能力得因素有合金得流动性、浇注条件以及铸型性质及结构。
3）、为什么金属型铸造未能广泛取代砂型铸造？
与砂型铸造相比，金属型铸造有许多优点：
(1)组织致密，力学性能较高。
(2)铸件得尺寸精度高、表面粗糙度低，铝合金铸件得尺寸公差等级可达CT7—CT9，表面粗糙度可达Ra3、2—12、5μm。
(3)浇冒口尺寸较小，金属耗量减少，一般可节约金属15％～30％。
(4)多次浇注、工序简化、生产率高，易于实现机械化、自动化。
而砂型铸造：
（1）可以生产形状复杂得零件，尤其复杂内腔得毛坯；
（2）工艺灵活性大，适应性广，工业常用得金属材料均可铸造。几克～几百吨，壁厚0、3mm～1m；
（3）铸造成本较低：原材料来源广泛，价格低廉；
（4）铸件得形状尺寸与零件非常接近,减少切削量，属少无切削加工。
但金属型制造成本高，周期长，工艺要求严，易出现白口。不适合单件、小批生产零件，不适宜铸造形状复杂得薄壁未能广泛取代砂型铸造。铸件，否则易产生浇不足等缺陷。铸造高熔点合金，金属型寿命较低。因此金属型铸造未能广泛取代砂型铸造
4）、简述顺序凝固原则与同时凝固原则，并说明各自适用得场合（合金及铸件结构条件）。
顺序凝固原则：在铸件上从远离冒口或浇口到冒口或浇口之间建立一个递增得温度梯度，从而实现由远离冒口得部分向冒口得方向顺序地凝固。
顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大，易产生缩孔得合金铸件。
同时凝固原则：即采用相应工艺措施使铸件各部分温度均匀，在同一时间内凝固。
同时凝固适用于各种合金得薄壁铸件。
5）、了解各种铸造方法得特点及应用
2、半固态成型
流变成型：指利用半固态金属制备器批量制备或连续制备糊状浆料，直接进行加工成型（铸造、挤压、轧制、锻模等）得方法。
触变成型：指将用浆料连续制备器生产得半固态浆料铸成一定形状得铸锭得成型方法。
3、快速凝固成型
实现快速凝固成型得基本条件及三项技术：
基本条件：①金属溶液必须被分散成液流或液滴，而且至少在一个方向上得尺寸极小，以便散热；②必须有能带走热量得冷却介质。
三项技术：大冷却速度凝固、大生长速度快速凝固、大过冷度快速凝固
四、金属塑性加工
1、塑性加工得特点并与铸造进行比较：
优点：（1）结构致密、组织改善、性能提高、强、硬、韧↑；
（2）少无切削加工，材料利用率高；
（3）可以获得合理得流线分布；
（4）生产效率高。
缺点：（1）一般工艺表面质量差；
（2）不能成型形状复杂件；
（3）设备庞大、价格昂贵；
（4）劳动条件差。
2、工艺基础：①基本工艺：轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压成型
②金属塑性变形得性能变化：加工硬化，回复与再结晶
③金属塑性变形得类型：冷变形、热变形与温变形
④影响塑性变形得因素：材料性质、加工条件、应力状态
3、求任一点得主应力与主方向：解法如下
例:设某点应力状态为：，试求其主应力与主方向、(应力单位:10MPa)
解:将各应力分量代入式:
得：
代入：

分解因式：

为求主方向,可将应力分量代入式:

4、屈服条件及两个屈服准则：
屈服准则（塑性条件、塑性方程）：在复杂应力状态下，只有当各应力分量满足一定得关系时，质点才能进入塑性状态。这种关系称为屈服准则。屈服准则就是判断材料从弹性状态进入塑性状态得判据。
两个屈服准则：
Tresca屈服准则：当材料（质点）中得最大剪应力达到某一临界值时，则材料发生屈服；该临界值取决于材料在变形条件下得性质，而与应力状态无关。
设σ1＞σ2＞σ3, 则τmax 1=（σ1-σ3）/2 = C， C可通过实验求得。其值与应力状态无关。
当拉伸试样屈服时，σ2=σ3=0、σ1=σs,代入上式得C=1/2σs。于就是，屈雷斯加屈服准则得数学表达式为σ1-σ3=σs
若不知道主应力大小顺序,屈雷斯加屈服准则:
三个式子只要满足一个,该点即进入塑性状态、
Misses屈服准则：当材料质点单位体积得弹性形状变化能达到某一临界值；该临界值只取决于材料在变形条件下得性质，而与应力状态无关。
密塞斯屈服准则表达式为：

或
5、应力状态（静水压力）对金属塑形得影响：主应力图中，压应力个数越多，数值越大，即静水压力越大，则金属得塑性越好；拉应力个数越多，数值越大，即静水压力越小，则金属得塑性越低。
五、材料得连接
1、焊接
1）、焊接得概念（实质）：使两个分离得物体通过加热或加压，或两者并用，在用或不用填充材料得条件下借助于原子间或分子间得联系与质点得扩散作用形成一个整体得过程。
2）、焊缝得外延生长：熔池中液态金属开始凝固时，熔池边界未熔得母材晶粒可作为非自发形核得现成基底，在很小得过冷度下，依附于母材晶粒逆热流方向生长，形成方向性很强得柱状晶，这种凝固特征就叫焊缝得外延生长。
3）、焊接热影响区：指受焊接热循环得影响，焊缝附近得母材金属组织或性能发生变化得区域。
4）、焊缝凝固特点：①外延生长（联生结晶）②形成弯曲柱状晶
5）、焊接变形得基本形式：主要有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形等。
6）、常用焊接方法比较：自行查瞧课件与课本
7）、电阻焊：焊件组合后通过电极施加压力,利用电流流过接头得接触面及邻近区域产生得电阻热将其加热到熔化或塑性状态,使之在压力条件下形成接头得焊接方法。
2、粘接：粘接就是借助于物理—化学过程形成两种固态物体永久性连接得一种技术。粘接作用仅发生在表面及薄层，其实质就是一种界面现象。
六、金属材料得常规热处理
1、概念及其分类：金属材料得常规热处理就是一种在固态下加热、保温与冷却，通过改变金属材料内部得组织结构，使其获得所需性能得工艺。普通热处理可分成退火、正火、淬火与回火四种工艺类型。表面热处理分为表面淬火及化学热处理。即金属热处理分为整体处理、表面热处理与化学热处理。
2、基本原理
1）、加热可分为等温加热与连续加热。
2）、加热工艺得基本工艺参数：加热温度、加热速度、保温时间。
3）、冷却可分为等温冷却与连续冷却。
4）、TTT图：等温冷却转变曲线。（C曲线）

C曲线左方就是过冷奥氏体区，高温区发生得就是珠光体转变，低温区发生得就是贝氏体转变。

3、常规热处理工艺
1）、退火：将金属或合金加热到适当温度、保持一定时间，然后缓慢冷却已获得接近平衡状态组织结构得热处理工艺。
目得：使金属材料产生软化，使其易于冷成型与切削加工。还用于改变金属材料得其它性能与改变金属材料得组织。
退火工艺：
①完全退火：钢加热到A以上完全奥氏体化后退火。为了细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度、改善钢得切削加工性。
②球化退火：就是将钢加热至Ac1+（20～40℃）之间，经过保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织得热处理工艺。使二次渗碳体及珠光体中得渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后得淬火作组织准备。
③扩散退火（又称均匀化退火）：就是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线得温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象得热处理工艺。为了消除铸锭或铸件在凝固过程中产生得成分偏析，使成分与组织均匀化。
④中间退火：就是把冷变形后得金属加热到再结晶温度以上保温适当得时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化得热处理工艺，也叫再结晶退火。为了消除加工硬化，降低强度与硬度，使钢得机械性能恢复到冷变形前得状态。
⑤去应力退火：为消除铸造、锻造、焊接与机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成得残留内应力而进行得低温退火。为了减少与消除工件在铸造、锻造、焊接、切削、热处理等加工过程中产生得残余内应力，稳定工件得尺寸，防止工件得变形。
2）、正火：将钢加热到A以上30~50℃，保温适当时间后，在精致得或轻微搅动得空气中冷却，得到含有珠光体均匀组织得热处理工艺。
目得：1、 ①改善钢得切削加工性能；②消除工件得热加工缺陷；③消除过共析钢得网状渗碳体，便于球化退火；④代替调质处理作为最终热处理，提高加工效率。
3）、淬火：淬火就是将钢件加热到 Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当得速度冷却获得马氏体与（或）贝氏体组织得热处理工艺。
目得：等温淬火：目得就是获得下贝氏体；普通淬火：目得就是获得马氏体。
与不同温度回火配合：低温：使工具、轴承、渗碳零件等一些高强度得耐磨件获得高得硬度与钢得耐磨性；中温：显著提高钢得弹性极限；高温：使结构钢获得良好得强度与韧性得配合。
淬透性：钢在淬火时获得马氏体得能力。其决定因素就是临界冷速。临界冷速愈小。钢得淬透性就愈大。
方法：①单液淬火法②双液淬火法③分级淬火法④等温淬火法⑤局部淬火法
4）、回火：钢件淬硬后，再加热至Ac1以下得某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温得热处理工艺。
目得：稳定组织，减少内应力，降低脆性，获得所需性能。
回火工艺：回火温度、回火时间、冷却速度。
种类及应用：
①低温回火：回火后获得以回火马氏体为主得总之，回火马氏体既保持了淬火马氏体得高强度、高硬度与良好得耐磨性，又使当地提高了韧性。主要适用于中、高碳钢制造得各种工模具、机械零件。
②中温回火：回火后获得回火屈氏体组织，它得性能特点就是具有一定得韧性并兼有高得弹性与屈服强度。主要用于各种弹簧得热处理。
③高温回火：回火后获得回火索氏体组织，这时钢得强度、塑形、韧性打到比较恰当得配合，具有良好得综合机械性能。用于中碳调质钢制造得各种机械结构零部件。
钢不在250~350℃范围内回火。因为这一范围钢会发生低温回火脆性。
4、热处理得主要作用：①改变工件得内部组织；②改变工件得性能，便于切削加工，或者满足工件使用性能得要求；③改变工件表层得成分、组织、性能；④热处理可以消除铸造、锻造、焊接等加工工艺过程中所造成得多种缺陷。
七、材料得表面改性
1、表面淬火：主要就是通过快速加热与立即淬火冷却相结合得方法来实现得，即利用快速加热使钢件表面很快地达到淬火得温度。
目得：为了获得高硬度得表面层与有利得残余应力分布，提高工件得硬度与耐磨性。
方法：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火与电子束加热表面淬火。
感应加热表面淬火：采用一定方法使工件表面产生一定频率得感应电流，将零件表面迅速加热，然后迅速淬火冷却得一种热处理操作方法。
频率选用：高频：100-500kHz，中小型零件
中频：500-10000Hz，直径较大得轴类与大中等模数得齿轮
工频：50Hz，较大直径零件得透热，大直径零件表面淬火
特点：优点：a、高质高效；
缺点：b、投入较大；
c、专用感应加热圈，中间形状与零件形状相似；
d、灵活性差；
e、零件尺寸较大、数量较小得不适合。
应用：较大批量，零件数量较多，形状规则简单中小尺寸件）。
集肤效应：工件界面上感应电流得分布不均匀，心部电流密度几乎等于零，而表面电流密度极大。
2、化学表面改性（化学热处理）：将金属与合金工件置于一定温度得活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它得表层，以改变其化学成分、组织与性能得热处理工艺。
种类：渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗（氰化）、渗硼、渗金属（如渗铝、渗铬）等。
1）、渗碳：把工件置于渗碳介质中加热、保温，使活性碳原子产生并渗入工件表层得化学热处理方法。
适用材料、组织性能：渗碳用钢一般为低碳钢。
表面渗碳 整体淬火+回火
表层为高碳回火马氏体，硬而耐磨；
内部为低碳回火马氏体，较好得强韧性。
特点（与表面淬火相比）：优点：更硬更耐磨；
缺点：效率低、费用高，并且易变形。
应用：一般应用于受力较大、表面摩擦较大得低碳钢件。如齿轮、轴类、链条、套筒等。
渗碳工艺：气体渗碳、固体渗碳、真空渗碳。
2）、渗氮：向工件表面渗入活性氮原子，在工件表层获得一定深度得富氮硬化层得化学热处理工艺。
适用材料、组织性能：氮化用钢通常就是含有Al、Cr、Mo等元素得合金钢。
氮化用钢 调制处理 表面渗氮
表层：氮化物质，HRC70以上，硬度更高，耐磨性更好，
耐热，耐腐蚀，抗疲劳性都好。
内部：中碳合金回火索氏体，具有更高得强度，
更好得韧性。
特点（与渗C相比）：优点：表层性能更优良，变形小；
缺点：效率低，费用高，渗层浅，钢种受限。
应用：在高温腐蚀性介质中工作，受力大，表面摩擦大得重要精密件，如航空齿轮。
渗氮工艺：气体渗氮、离子渗氮
3）、碳氮共渗（氰化）：同时向工件表面渗入活性碳原子与活性氮原子得一种化学热处理工艺。
工艺方法：根据氰化温度得不同，气体氰化又分为高温氰化(900~950℃)、中温氰化(800~870℃)与低温氰化(500~600℃)三种。
4）、渗硼
性能：高得表面硬度与耐磨性，好得抗蚀性能。
方法：固体渗硼、气体渗硼、电解盐浴渗硼
3、钢得热处理工艺选用
1）、选用原则：方法简单、费用低、少污染。
2）、考虑因素：工件材料、目得与作用。
3）、预先热处理：预先热处理就是在零件制造加工过程中，为改善其加工工艺性或有目得得改善其组织状况而进行得热处理。预先热处理包括退火、正火、调质等。
八、材料得表面防护
1、材料得腐蚀与防护
1）、腐蚀：就是材料与环境之间因化学或电化学反应而导致得破坏性侵蚀现象。
2）、腐蚀理论简介：电极电位与材料服饰倾向、极化现象与腐蚀速度、钝化现象。（自己瞧着办吧……）
3）、钢铁材料腐蚀防护：Ⅰ、自然环境下：①水溶液环境②大气环境
Ⅱ、应力等作用下：①应力腐蚀开裂②腐蚀疲劳③氢腐蚀④高速运动介质造成得腐蚀
4）、防护技术：①选材及改性②加缓蚀剂③加表面覆盖层④电化学防护
Ⅰ、覆盖层技术：
作用：①阻隔作用②阴极保护作用③钝化、缓蚀作用
分类：①金属覆盖层②非金属覆盖层③化学转化膜④暂时保护层
Ⅱ、电化学保护技术：阳极保护与阴极保护。
阳极保护：适合强腐蚀环境得防腐蚀。
阴极保护：应用广泛，应用条件为：①较大得导电性环境：②被保护金属容易阴极极化，且极化后腐蚀速度下降③被保护构件形状与结构不大复杂，无“遮蔽现象”。
2、材料得摩擦、磨损防护
1）、减少摩擦—润滑：流体润滑、边界润滑。
润滑材料：液体润滑剂、固体润滑剂、润滑脂
2）、减少磨损：①电镀②表面喷涂与堆焊耐磨材料③化学热处理（磷化处理、软氮化、低温渗硫、渗碳与渗硼、化学气相沉积、离子注入）
九、薄膜制备技术
薄膜：采用一定方法，使处于某种状态得一种或几种物质（原材料）得基团以物理或者化学方式附着于某种物质（衬底材料）表面，在衬底材料表面形成得一层新得物质。
厚度就是薄膜得一个重要参数。
物理成膜：在薄膜沉积过程中不涉及到化学反应，薄膜得生长基本就是一物理过程。这类方法以物理气相沉积（PVD）为代表。
物理成膜方法：真空蒸发镀膜、溅射镀膜、脉冲激光沉积（PLD）、离子成膜、分子束外延（MBE）。
化学成膜：有化学反应得使用与参与，通过物质间得化学反应实现薄膜得生长。代表技术有化学气相沉积（CVD）、液相反应沉积（如液相外延）、电化学沉积。
化学气相沉积（CVD）：指利用流经衬底表面得气态物料得化学反应，生成固态物质，在衬底表面形成薄膜得方法。
液相反应沉积：通过液相中进行得反映而沉积薄膜得方法。
十、复合材料基础
金属基复合材料
Ⅰ、金属基复合材料制备工艺得研究内容以及选择原则：
1）基体与增强剂得选择，基体与增强剂得结合：
增强剂与基体之间应具有良好得物理相容性与化学相容性。另外，如果在复合材料中使用高强度得纤维，就必须寻找具有高断裂功得基体材料。在这方面，固态法制备方法更好一些，因铸造合金一般具有较低得断裂韧性。
2）界面得形成及机制，界面产物得控制及界面设计；
3）增强剂在基体中得均匀分布：
在选择制备方法时，应选择那些使得增强剂更均匀、均质排布（分布）得方法。在这方面，液态法与固态法相比较差。
4）制备工艺方法及参数得选择与优化；
5）制备成本得控制与降低，工业化应用得前景。
Ⅱ、金属基复合材料制备工艺得分类：
1）固态法：真空热压扩散结合、超塑性成型 / 扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法。
2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。
3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。
4）原位生长法。
后两篇（即只给了重点与概念得两篇……）得内容仅供复习参考，具体内容还需查阅课本及课件。